王亞麗，崔開源，劉術(shù)林，張 騫，栗重浩，李曉峰

（1.太原長城微光微通電子科技有限公司，山西 太原 030032；2.核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院高能物理研究所，北京 100049；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4.北方夜視技術(shù)股份有限公司，云南 昆明 650217）

引言

微通道板（microchannel plate，MCP）[1]是一種由特種玻璃制作的二維真空電子倍增器件[2]，規(guī)整排列的每一個(gè)通道相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的連續(xù)電子倍增器，當(dāng)在其輸入、輸出端施加合適的電場，即可實(shí)現(xiàn)二維電子的連續(xù)倍增[3]。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，MCP的應(yīng)用范圍[4]不斷拓寬，已經(jīng)從傳統(tǒng)的直流工作模式（如微光像增強(qiáng)器）拓展到脈沖計(jì)數(shù)模式（如空間探測、高能物理、生化發(fā)光等特定領(lǐng)域的光電子計(jì)數(shù)探測或成像），而脈沖計(jì)數(shù)模式對MCP的性能要求更加嚴(yán)格。

傳統(tǒng)工藝制作的MCP，其增益普遍偏低，噪聲因子偏大，動(dòng)態(tài)范圍偏小，壽命有待提高，特別是當(dāng)其應(yīng)用于密封的電真空器件（如微光像增強(qiáng)器[5]、MCP-PMT等）時(shí)，既要實(shí)施有效除氣[6]，又要確保較高增益、低噪聲和較長的壽命，還要求其主要性能分散性小等，前者是MCP材料[7]及其制作工藝本身難以實(shí)現(xiàn)重大技術(shù)突破帶來的問題，后者除此之外，還與制管兼容性[8]相關(guān)聯(lián)。而一種新型MCP制作技術(shù)能解決上述諸多難題，即采用原子層沉積（atomic layer deposition，ALD）技術(shù)制作微通道板。

ALD技術(shù)是半導(dǎo)體行業(yè)近年來普遍采用的一種制作納米級薄膜技術(shù)，其制作薄膜的物理機(jī)制及其特點(diǎn)，已被廣泛報(bào)道，在此不作展開說明。最早將該技術(shù)引入到制作MCP的是美國的Argonne國家實(shí)驗(yàn)室，他們利用ALD技術(shù)在高長徑比的通道內(nèi)壁分別沉積電阻層和二次電子發(fā)射層，前者的功能是建立合適的通道內(nèi)電場并補(bǔ)充內(nèi)壁表面因二次電子發(fā)射而缺失的電子，進(jìn)而維持持續(xù)穩(wěn)定的二次電子倍增；后者則提供較高的二次電子發(fā)射并維持較高的增益。由于ALD技術(shù)可獨(dú)立制作電阻層和二次電子發(fā)射層，使得MCP的成品率和性能得到很大的提升，擺脫了傳統(tǒng)MCP因選擇特定的玻璃材料和嚴(yán)格的制作工藝而導(dǎo)致的成品率低、性能分散性大以及上面提到的一系列問題。但為了保證MCP的增益均勻性和較低噪聲，確保微孔陣列排布的規(guī)整性和每一個(gè)通道內(nèi)壁的光滑性則顯得極其重要，國內(nèi)外同行也都強(qiáng)調(diào)這些，但尚未見詳細(xì)報(bào)道。

在國家基金委、核探測和核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持下，課題組分別采用空芯工藝與實(shí)芯工藝制作微孔玻璃基底，針對微孔陣列的幾何排列結(jié)構(gòu)的均勻性[9]和通道壁的粗糙度兩大關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究，最終解決了相關(guān)技術(shù)問題，研制出通道排列規(guī)整、通道內(nèi)壁超光滑的玻璃毛細(xì)管陣列，通過ALD技術(shù)制作電阻層和二次電子發(fā)射層，獲得了增益較高且均勻的微通道板，再經(jīng)過制作超二代微光像增強(qiáng)器后，其信噪比（28）優(yōu)于常規(guī)MCP制作的像增強(qiáng)器的信噪比（22～23）[10]。

1 微孔陣列制作技術(shù)

1.1 空芯工藝

空芯工藝是采用空芯纖維絲真空熔合技術(shù)來制作微孔陣列的簡稱，其工藝過程是：1）將外徑為Φ40 mm的空心玻璃管在特制的光纖拉制機(jī)上拉制直徑為Φ1 mm的空心纖維絲；2）將空心纖維絲放入特制的排棒模具中排成復(fù)絲棒，然后在光纖拉制機(jī)上拉制一次復(fù)絲；3）在排板模具中排出由一次復(fù)絲單元構(gòu)成的圓柱體纖維陣列板，通過工裝將圓柱形絲陣列用玻璃線綁定，放入皮料玻璃管中；4）在光纖拉制機(jī)上對上述玻璃管抽真空并拉制，拉速控制在2 mm/min，溫度依據(jù)玻璃管的粘度-溫度曲線來確定，一般在595 ℃～630 ℃范圍內(nèi)調(diào)整；5）將真空融合的陣列板纖維通道用虹吸法填充有機(jī)樹脂材料，填充材料固化后，實(shí)施冷加工技術(shù)，即切片、研磨、拋光、超聲清洗填充材料；6）按照傳統(tǒng)的清洗、烘干工藝制成的帶有包邊的空芯玻璃毛細(xì)管陣列。

采用上述技術(shù)制作的帶有包邊的空芯玻璃毛細(xì)管陣列，其排板后橫截面如圖1所示。從其顯微結(jié)構(gòu)（見圖2）來看，通道排列還算規(guī)整，由于沒有傳統(tǒng)的化學(xué)腐蝕去芯工藝[11]，所以通道內(nèi)壁光滑。在此空芯陣列基底上用ALD技術(shù)制作微通道板，避免了傳統(tǒng)微通道板制造工藝所用的材料[12]及其工藝的過多限制，可使用價(jià)格低廉的玻璃材料節(jié)約成本。

圖1 空芯法排板示意圖Fig.1 Schematic diagram of row plates byhollowcore method

圖2 空心玻璃陣列基底局部放大圖Fig.2 Partial enlarged diagram of base of hollow-core glass array

1.2 實(shí)芯工藝

實(shí)芯法是在傳統(tǒng)微通道板實(shí)芯制造工藝的基礎(chǔ)上，在酸堿腐蝕[13]好的通道內(nèi)再用混合酸液進(jìn)行二次腐蝕其粗糙表面，相當(dāng)于對通道內(nèi)壁的化學(xué)拋光，最終實(shí)現(xiàn)通道內(nèi)壁超光滑處理。

1.2.1 材料的選擇

傳統(tǒng)MCP的皮芯料的玻璃成分如表1所示。其設(shè)計(jì)思想是皮料玻璃除具有抗腐蝕性外，一般要求經(jīng)過氫還原后，具有合適的電阻和較高的二次電子發(fā)射系數(shù)。

表1 傳統(tǒng)MCP的皮芯料的玻璃成分Table 1 Glass composition of skin-core materials of traditional MCP

在MCP制作全過程中，芯料玻璃則要求其熱物理性能（熱膨脹系數(shù)、軟化點(diǎn)、轉(zhuǎn)變點(diǎn)等）與皮料玻璃相匹配，但其化學(xué)腐蝕速率要比皮料玻璃高3～4個(gè)量級[14]?？紤]到要采用ALD技術(shù)制作MCP的電阻層和二次電子發(fā)射層，沒有必要在化學(xué)腐蝕之后進(jìn)行氫還原處理。故此，我們在選擇皮料玻璃時(shí)，沒必要采用鉛鉍硅酸鹽玻璃。只要其熱物理性能與上述芯料玻璃相匹配，化學(xué)腐蝕速率與上述皮料相當(dāng)就行，不僅擴(kuò)大了選擇范圍，而且價(jià)格低廉。后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，我們選擇了光電倍增管[15]的窗口玻璃（傳統(tǒng)的電真空玻璃DM308），替代傳統(tǒng)的MCP皮料玻璃[16]，獲得了比較好的實(shí)驗(yàn)效果。

1.2.2 化學(xué)腐蝕工藝

通過選擇上述DM308玻璃作為皮料玻璃，而芯料玻璃采用原來的MCP芯料玻璃，兩者軟化溫度比傳統(tǒng)MCP皮芯玻璃相差較大，高溫拉絲時(shí)芯皮滲透減少，為后續(xù)化學(xué)腐蝕獲得光滑的通道內(nèi)壁奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，在采用化學(xué)腐蝕去芯工藝后，我們再增加一道化學(xué)拋光工藝，其工藝過程是：1）10%的HNO3溶液超聲10 min；2）去離子水超聲5 min；3）稀HNO3和HF混合液超聲20 min；4）去離子水超聲5 min；5）稀HNO3、HF和稀H2SO4混合液超聲30 min；6）去離子水超聲5 min；7）HF、稀H2SO4和NH4Cl的混合液超聲40 min；8）去離子水超聲5 min；9）乙醇超聲10 min；10）120 ℃烘干，詳細(xì)工藝可參考文獻(xiàn)[2]。

1.2.3 實(shí)芯法獲得的實(shí)際效果

通過上述材料和工藝的研究，特別是對微通道內(nèi)壁的化學(xué)拋光，即采用多種酸混合液進(jìn)行超聲處理并在兩道酸處理之間采用去離子水進(jìn)行清洗，后用乙醇脫水并放入真空烘箱中烘烤，此方法既滿足對微通道進(jìn)行內(nèi)拋光以實(shí)現(xiàn)ALD技術(shù)對通道壁粗糙度要求，同時(shí)避免了傳統(tǒng)酸腐蝕對通道壁造成破損和影響通道板電性能指標(biāo)特別是噪聲偏高等問題。檢測結(jié)果表明，拋光前后的通道內(nèi)壁，有很大差別，內(nèi)拋光后通道粗糙度減少，小于或等于3 nm。表2為拋光前后表面粗造度的對比情況。

表2 內(nèi)拋光前后粗糙度數(shù)據(jù)對比Table 2 Comparison of roughness data before and after internal polishing

圖3和圖4為微通道板的內(nèi)拋光前后的電鏡放大對比圖。

圖3 內(nèi)拋光前通道壁表面形貌圖Fig.3 Inspection picture of the channel wall roughness before polishing

圖4 內(nèi)拋光后通道壁粗糙度檢測圖Fig.4 Diagram of roughness measurement of channel wall after internal polishing

2 空芯與實(shí)芯工藝特點(diǎn)分析

傳統(tǒng)的空芯工藝可以很好地保證通道內(nèi)壁光滑，但制作工藝技術(shù)難度大，復(fù)絲頂角畸變，復(fù)絲邊界通道變形嚴(yán)重，目前美國20 μm孔徑的MCP可能就是采用類似工藝。該工藝在制作小孔徑時(shí)，上述缺陷更為突出，由此制作的MCP，則表現(xiàn)出大面積增益不均勻，復(fù)絲邊界明顯，發(fā)射點(diǎn)多，“網(wǎng)格”嚴(yán)重。本項(xiàng)目采用新的拉絲工藝解決上述問題，由此制作的MCP，不僅可以應(yīng)用于探測器，而且可以應(yīng)用于成像。

實(shí)芯工藝在數(shù)百萬根微孔陣列排列規(guī)整性方面有優(yōu)勢，但傳統(tǒng)工藝在腐蝕去芯的同時(shí)要保證通道內(nèi)壁光滑，有相當(dāng)大的技術(shù)難度。采用本技術(shù)，則需要選擇對酸堿腐蝕速率差別更大的皮、芯料玻璃，優(yōu)化腐蝕工藝，使得腐蝕后的MCP通道內(nèi)壁光滑程度滿足要求。

目前制作傳統(tǒng)MCP的工藝一直采用實(shí)芯工藝，其最大的好處是通道排列規(guī)整、通道本身幾何形狀完好，但由于要腐蝕除芯，導(dǎo)致腐蝕后的通道內(nèi)表面粗糙度Ra在幾十納米甚至上百納米量級，表面粗糙度增加，提高了MCP的比表面積，導(dǎo)致吸附氣體量增加，進(jìn)而增加了除氣的難度，影響電子倍增過程中的統(tǒng)計(jì)漲落，導(dǎo)致隨機(jī)噪聲進(jìn)一步增加[17]，降低了MCP的信噪比。作為皮料的鉛硅酸鹽玻璃管難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)，一直采用人工拉制，拉制的皮料管材料成分波動(dòng)大、合格率低、尺寸差異性大、價(jià)格高，限制了MCP品質(zhì)的進(jìn)一步提高。項(xiàng)目組實(shí)芯法采用的材料，由此拉制的皮料管成分和尺寸更加容易控制[18]，一旦產(chǎn)業(yè)化后可采用漏料加工、機(jī)械打孔的制作方式來制作高質(zhì)量的玻璃管，成品率會得到較大提升，并節(jié)約資金。另一方面，在MCP常規(guī)生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上采用了通道內(nèi)拋光的方法，提高了通道內(nèi)壁粗糙度（達(dá)到納米級），能滿足ALD技術(shù)要求。

3 關(guān)鍵技術(shù)問題

3.1 空芯法關(guān)鍵技術(shù)

1）空芯拉絲精度控制技術(shù) 設(shè)計(jì)了特殊的工裝及工藝，改進(jìn)激光測徑裝置，準(zhǔn)確測量控制空芯絲外徑，絲徑誤差控制在±1.5 μm。2）空芯纖維絲排板技術(shù) 通道規(guī)則排列，通過控制板熔合時(shí)各個(gè)復(fù)絲膨脹的方向和力度一致，確保熔合時(shí)空芯復(fù)絲形態(tài)一致，消除顯微狀態(tài)下的“頂角洞”、“扭絲”、“通道變形”等疵病，圖5為封口后的空芯絲。3）玻璃材料選型 添加實(shí)體邊的目的是增強(qiáng)空芯MCP的機(jī)械強(qiáng)度，為此設(shè)計(jì)、選型玻璃配方，與MCP空芯玻璃材料匹配，滿足熔合后不炸裂。4）填充劑的選型 課題組研發(fā)出一種有機(jī)材料作為填充劑，其特性為：加熱（25 ℃～300 ℃）后，流動(dòng)性好，能完全填充到長度為70 mm、通道孔徑為8 μm的空芯通道板之內(nèi)；固化后，具有較大強(qiáng)度和脆性，利于切割、研磨、拋光等冷加工處理；用乙醇、丙酮等溶劑能徹底清洗掉8 μm孔徑通道內(nèi)的樹脂（單片板厚為≤1.2 mm）；加熱（25 ℃～300 ℃）后，熱膨脹系數(shù)小，避免固化后的填充劑撐裂MCP毛細(xì)管玻璃陣列。圖6為注入填充劑的空芯毛坯棒。

圖5 空芯絲Fig.5 Photograph of hollow-core fiber

圖6 注入填充劑的空芯管毛坯棒Fig.6 Blank bar of hollow-core tube filled with filler

3.2 實(shí)芯法關(guān)鍵技術(shù)

1）材料配方的研制 以酸溶玻璃為基礎(chǔ)研制出與之玻璃性能相匹配的皮玻璃材料以及相應(yīng)的實(shí)體玻璃材料，從而縮短研制時(shí)間，并減少費(fèi)用；

2）酸堿腐蝕技術(shù) 通道腐蝕工藝的試驗(yàn)，既要徹底腐蝕清洗掉芯料，又要完整地保存好皮料的表面光潔度不被破壞。

3）通道板內(nèi)拋光技術(shù) 結(jié)合玻璃微通道內(nèi)表面的表面粗糙度測試結(jié)果，選擇和優(yōu)化拋光工藝，用強(qiáng)酸等化學(xué)試劑處理微通道內(nèi)壁，進(jìn)行通道內(nèi)表面拋光，使初始表面粗糙度Ra在幾十納米甚至上百納米量級，經(jīng)內(nèi)拋光后達(dá)到約3 nm，滿足ALD技術(shù)制作高性能MCP對粗糙度的要求。

4 綜合制板和制管結(jié)果

分別采用空芯和實(shí)芯工藝制作的微孔（孔徑為8 μm、孔間距10 μm）陣列，其外徑為25 mm，采用ALD技術(shù)分別制作電阻層（AZO薄膜層）和二次電子發(fā)射層（納米級Al2O3薄膜），由此獲得的MCP的主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 不同工藝制作的MCP的增益及其均勻性、壽命指標(biāo)Table 3 Gains, uniformity and life index of MCP made from different processes

采用超二代微光像增強(qiáng)器的制管工藝，將MCP按照傳統(tǒng)MCP的真空烘烤（380 ℃ 8 h）和常規(guī)的電子清刷工藝（累積拾取電荷量為52 μAh），由此獲得的MCP的性能指標(biāo)如表4所示。

表4 制作成微光像增強(qiáng)器后的主要性能Table 4 Main performances after making low-light-level image intensifier

由此可見，采用新的實(shí)芯工藝制作的微通道陣列，通過ALD技術(shù)制作的MCP，無論是MCP本身還是制作微光像增強(qiáng)器，其空間結(jié)構(gòu)以及增益均勻性優(yōu)于傳統(tǒng)MCP，顯示出更好的性能。增益的提高和壽命的延長，是ALD技術(shù)直接帶來的結(jié)果，而信噪比的提升，與微通道內(nèi)壁的光滑程度密不可分。

5 結(jié)論

ALD技術(shù)制作MCP顯示出較大的優(yōu)越性，其功能發(fā)揮，除了優(yōu)化ALD制作電阻層和二次電子發(fā)射層外，最重要的是微孔玻璃基底的微孔陣列排布的規(guī)整性和每一個(gè)通道內(nèi)壁的光滑性。盡管空芯工藝在解決通道內(nèi)壁光滑性方面顯示出天然的優(yōu)點(diǎn)，但工藝復(fù)雜，規(guī)整性有待于進(jìn)一步改進(jìn)；而實(shí)芯工藝雖然在選擇材料方面有難度，但在傳統(tǒng)工藝制作MCP中，積累了技術(shù)基礎(chǔ)，只需在后續(xù)腐蝕工藝中增加新的腐蝕工藝，就能夠達(dá)到3 nm量級的表面粗糙度。由上述2種工藝制作的25 mm的微孔陣列（孔徑8 μm、孔間距10 μm），通過ALD技術(shù)制作新型微通道板，與常規(guī)工藝生產(chǎn)的微通道板性能比較，其增益及其均勻性均有所改善，由此MCP制作的超二代微光像增強(qiáng)器，其增益增加一倍，均勻性有所改善，信噪比達(dá)到26～28，表現(xiàn)出較好的性能，代表了MCP技術(shù)發(fā)展的新方向。